CERN - v centre (nielen) európskej vedy

Výskum

Už sme si povedali čo to je, kde to je a odkiaľ sa v tom berú financie, je na čase si priblížiť, na čo sa míňajú. Čo sa vybavenia pre výskum častíc týka, jedná sa o najlepšie vybavené pracovisko na svete. V CERNe prebieha množstvo experimentov, no tie "najlákavejšie" využívajú kaskádu niekoľkých časticových akcelerátorov a jedného decelerátora, ukryté zväčša hlboko pod zemou, pre zrážky častíc a následnú analýzu toho, čo takouto zrážkou vzniklo. Takýmto spôsobom sa vedci snažia odhaliť, čo sa stalo tesne po veľkom tresku, resp. postupne odhaľujú menšie a menšie častice (na čo je však treba stále väčšie a výkonnejšie vybavenie). Ako evolúciou tieto akcelerátory vznikali, nadväzovali jeden na druhý, pričom zastaralejší akcelerátor sa po modernizácii obvykle použil ako vstup pre novší akcelerátor.

(schéma, ako sú prepojené jednotlivé akcelerátory a detektory, zdroj)

Ako taká zrážka vyzerá?

1. Na začiatku je plynný vodík, z ktorého sa pôsobením elektrického poľa odtrhnú elektróny.
2. Protóny vodíka vstupujú do lineárneho akcelerátora LINAC-2 (1978) kde získajú energiu 50 MeV (50 * 10⁶ elektrón-voltov).
3. Odtiaľ sú vystrelené do kruhového synchrotronu, tzv. Proton Synchrotron Booster (na obrázku hore ako BOOSTER, 1972, obvod 157m), kde získajú energiu 1.4 GeV.
4. Odtiaľ putujú ďalej do Proton Synchrotron-u (PS, 1959, obvod 628m) kde sa energia každého protónu zvýši na 25 GeV.
5. Predposledným stupňom je Super Proton Synchrotron (SPS, 1976, 7km), ktorý protóny opúšťajú pri 450 GeV
6. A nakoniec do LHC (2008, 27km), kde dostanú konečnú pri 7 TeV, potom nechajú častice zraziť sa (t.j. energia zrážky je 14 TeV).

Samozrejme, nie všetky experimenty prebiehajú pri najvyšších energiách. Aby sa však častica pri tak vysokej energii mohla pohybovať po kruhovej dráhe, je potreba okolo 5000 magnetov, aby jej dráhu "ohli" do kruhu. Sú supravodivé, t.j. schladené tekutým héliom na teplotu okolo -270°C, čo je len kúsok od absolútnej nuly, a prechádza nimi prúd okolo 12500A. Pre zaujímavosť, špičkový príkon CERNu vie byť až 180MW (cca 1/3 výkonu jedného bloku jadrového reaktora VVER440 inštalovaného v Jaslovských Bohuniciach)

(ako prebieha zrážka častíc v LHC, v angličtine, zdroj)

Ako bolo možné vidieť aj na videu, LHC pozostáva z 2 trubíc, ktoré sa križujú na 4 miestach, v ktorých sú inštalované obrovské detektory kde zrážky častíc prebiehajú. Rozhodnie to nie sú trpaslíci, veď posúďte sami:

• ATLAS, dĺžka 45m, priemer 25m, váha 7000 ton, 3000km kabeláže. Primárne výskum "božskej" častice (Higgsov bozón).
• CMS, dĺžka 21m, priemer 15m, 12500 ton. Podobne ako ATLAS, výskum zameraný na Higgsov bozón
• ALICE, 16x16x26m, 10000 ton. Výskum vlastností kvark-gluónovej plazmy, výskúm Veľkého tresku a okamihov po ňom
• LHCb, 21x10x13m, 5600 ton. Výskum antihmoty, CP symetrie.

Tieto detektory slúžia pre 7 aktuálne prebiehajúcich experimentov na LHC. Detektory už nie sú hradené z peňazí CERNu (resp. len čiastočne), väčšinou ich platia univerzity či sponzori/organizácie (CERN má pristory a akcelerátor, univerzity/organizácie si zaplatia experimenty). Slovensko sa zúčastňuje najmä výskumu v rámci experimentov ATLAS a ALICE. Práve na "najmenší" z nich, LHCb, sme sa mali možnosť pozrieť. 

(detektory inštalované na LHC, zdroj)

CERN však myslí dopredu. LHC bolo plánované ešte v 80. rokoch a realizácie sa dočkal až v roku 2008. Podobne sa uvažuje aj o jeho nástupcovi, pre ktorý by bolo potreba vykopať kruhový tunel o dĺžke 80-100 kilometrov. Teoreticky by takýto akcelerátor mohol zrážať častice pri cca 100 TeV (v porovnaní s 14 TeV u LHC). Ešte predtým by však LHC malo dostať "upgrade", a to niekedy okolo roku 2020, výsledkom ktorého by mohlo dôjsť ku zdesaťnásobeniu počtu zrážok za jeden experiment (tzv. High-Luminosity LHC).

(možný nástupca LHC bude pre inžinierov slušné sústo, zdroj)

Okrem LHC sú tu ďalšie menšie experimenty prebiehajúce alebo na starších akcelerátoroch alebo úplne mimo ne, napr. Axion či OPERA (ktorá využíva zväzok neutrín z CERNu), alebo program AMS, ktorého výsledkom je modul na stanici ISS skúmajúci častice kozmického žiarenia s hlavným cieľom rozlúštenia záhady tmavej hmoty vo vesmíre. Mimochodom, na tomto projekte pracoval aj náš kolega v redakcii pc.sk - Pali.

(Budova AMS Payload Operations Control Centre, kontrolné centrum AMS v CERNe)

Čo sa za tie roky podarilo objaviť? Za zmienku stojí napr. objavenie slabých interakcií s neutrálnym prúdom, bozóny W a Z, vyrobenie a uskladnenie antivodíka, objavenie a následný výskum tzv. narušenia CP-symetrie (vysvetľuje prevahu hmoty nad antihmotou vo vesmíre) a samozrejme objavenie Higgsovho bozónu v roku 2012. Vďaka CERNu a jeho vývoju nových urýchľovačov máme napr. aj kvalitnejšie vybavenie na ožarovanie nádorov v nemocniciach (lebo sa to robí malými urýchľovačmi). Jeden z vynálezov CERNu, ktoré používate denno-denne - WWW a HTML, vytvoril v CERNe Tim Burners-Lee keď sa údajne nudil počas Vianoc 1989.